山梨県の取り組み（やまなしエネルギービジョン）「やまなしエネルギービジョン」
平成28年3月に「やまなしエネルギービジョン」を発表した．その中で，クリーンエネルギー普及促進の具体的な取り組み内容として「地中熱」利用が明記され，2030年における地中熱ヒートポンプ(GSHP)の目標導入台数を900台としている．

C５
農業施設における直接膨張方式地中熱利用ヒートポンプの有効性評価

一方，山梨大学では，地中熱ヒートポンプシステムの省エネルギー性をより高める試みとして，直接膨張方式地中熱ヒートポンプを提案している．
これまでに山梨大学において実施された直接膨張方式地中熱ヒートポンプの性能実験では，空気熱や従来型の間接方式地中熱ヒートポンプとの性能比較が行われ，省エネルギー性能の高いシステムであることが明らかにされてきた．

武田哲明（山梨大学大学院総合研究部）
樋口 進（山梨県農政部）

その成果を受けて，地中熱ヒートポンプを農業分野にも導入するため，環境省の補助金を利用して，地中熱ヒートポンプによる夏秋イチゴのハウス冷暖房事業が実施され，一次エネルギー消費量の削減効果や性能評価を実施している．

令和元年度 やまなし産学官連携研究交流事業
2019年10月10日（木）＠ベルクラシック甲府

ここでは，ハウス空調設備の概要と試運転の結果を報告する．
2研究背景

研究背景

これまで、直接膨張方式地中熱ヒートポンプの採放熱方式は、過去に知られていたが、構造が複雑で地中配管における採放熱管の配管抵抗や潤滑油の底部停滞等により1次側の冷媒循環量が不安定となり、採放熱量の予測や地中熱交換器の最適形状が決定できず、地中熱交換器の設計手法も確立されてこなかった。そこで、これらの課題を①ボアホール深さを短く（30m以下）、②地中熱交換器の形状を改良（複数細管の採用）した結果、潤滑油の底部停滞や冷媒循環の不安定さは解消され、高い成績係数を得ることに成功してきた。

直接膨張方式地中熱ヒートポンプは、空気熱ヒートポンプの室外機に収められた空気－冷媒熱交換器の代わりに冷媒が流れる銅管を伝熱管として、地中に設けた①住宅用鋼管杭、②ボアホール内に挿入したケーシング管、に水を封入して、その中に伝熱管を挿入した地中熱交換器を利用して代替フロン冷媒（例えばR410AやR32）を直接地中に循環させて地盤と採放熱を行う方法。

直膨方式GSHP実験機

10kW出力実験機の地中熱交換器とその断面図方法の優位性①ブライン－冷媒熱交換器が不要で部品コストが削減、②ブライン循環ポンプが不要で、消費電力が削減され、省エネル
ギー性能が向上、③冷媒の凝縮蒸発過程が地中熱交換器内で行われるため熱交換器単位長さ当りの採放熱量が増大し、ボアホール深さを短縮でき、掘削コストが削減。

30m

課題

潤滑油の底部停滞等による1次側冷媒の循環流が不安定⇒ コンプレッサーの停止、性能の低下

コア技術

ボアホール深さを短く（30m以下）した。
熱交換器の形状を改良（細管の採用）した。
⇒ 潤滑油の底部停滞が解消し、高いCOP値を得た

3実験装置は、空気熱ヒートポンプの空気/冷媒熱交換器を取り除き、地中熱交換器を接続したもの。

室外機
空気/冷媒熱交換器

室内機暖房能力 9.0kW
冷房能力 6.8kW
冷媒 R410A

地中熱交換器

30m
室内空調機

室内機能力
能力目安

4.0kW、2.2kW
14畳、6畳4地中熱ヒートポンプによる夏秋イチゴのハウス冷暖房事業（実証試験装置）

地中熱ヒートポンプによる夏秋イチゴのハウス冷暖房事業（概要） 機器能力は，栽培する夏秋イチゴの要求する温度を維持するための能力と仮定し，冷房出力12.5kW，暖房出力14kWとした．
 高負荷時の地中への採放熱が地中温度に大きな影響を及ぼさないように，注水用の井戸を併設してボアホール内へ注水することにより，採熱量を補う方法を採用した．

夏秋イチゴの栽培計画地(北杜市大泉町)は標高800mの高地であり，これまでは夏季の冷房が不要であった．近年の温暖化の影響で、特に夜間の気温が下がらず，作物の結実に影響があることから，冷房の必要性が生じた．これにより，直接膨張方式地中熱ヒートポンプが導入されることになった．
そこで，既築の高断熱式ビニールハウス（8×27=216m2）に対して，主に夏季の冷房用として地中熱ヒートポンプを2台導入し，φ100mm×30mの3本のボアホール内にそれぞれ地中熱交換器を収め，3本1組として，2組用いて稼働させている．

 注水に用いる井戸の揚水量は各熱交換器あたり最大でも3ℓ/分として全体でも18ℓ/分とすることから，家庭用の井戸と比べても少ない．
 注水後の溢水は浸透させて地下に還元させることとした．

「廃熱・湧水等の未利用資源の効率的活用による低炭素社会システム整備推進事業」

室内機HP



30m
×3本
井間距離2m5

地中熱ヒートポンプによる夏秋イチゴのハウス冷暖房事業（計測点）

ビニールハウス(8×27ｍ）
HP能力；暖房能力14.0kW；冷房能力12.5kW(2台)ボアホール30×3本(2組)

注水井戸「廃熱・湧水等の未利用資源の効率的活用による低炭素社会システム整備推進事業」

井間距離2mP

6

地中熱交換器0m
温度計

5m

Levelmonitor

10m

製造者（株）チノー
型式：側温抵抗体仕様：pt100クラスA（JIS規格）
保護管SUS316
データロガー

湿度計
15m

製造者：トウプラスエンジニアリング（株）
仕様：計測精度±2%(10~90%RH at25℃)±3%(2~10%RH，90~100%
RH at25℃)



製造者：日置電機（株）
仕様：測定精度±0.25%

20m
15m

Indoor unit

30m

P

Heat exchanger

Well
HP

11340

14264727395058

21241

152548

28

3851

59

31142

16244929375260

41043

172350

30

3653

5944

1822513135546845

192152323455564653
2072m2m

3330m

61

Temperature of the water in the boreholes(28points)
Temperature of the heat exchanger wall(39points)

Well

6263

PP

6478地中熱ヒートポンプによる夏秋イチゴのハウス冷暖房事業性能評価 (冷房運転)

地中熱ヒートポンプによる夏秋イチゴのハウス冷暖房事業性能評価 (暖房運転)

ハウス内温度

性能値
性能値

ハウス内温度15.2[kW]15.5[kW]

16.0[kW]

2.5 [ºC]

27.5[ºC]

16.0[kW]Max 34.8[ºC]
4.8[kW]

3.5[kW]

4.2[kW]

温度差約 20 [ºC]

4.9[kW]

Min -5.1[ºC]

3.3

3.2

32.3[ºC]
4.4

3.8

15.2[ºC]

9.0[ºC]Operation

Operation
Operation

Operation

運転期間中の平均COPは3.4，出力は約16.1 kW，消費電力は約4.8 kW

運転期間中の平均COPは4.0，出力は約16.1 kW，消費電力は約4.1 kW

109

直接膨張方式地中熱ヒートポンプのシステム構成

一次エネルギー削減効果

冷房運転

暖房運転

3500
Air heat pump
Ground source heat pump

3000

削減量 : 170 [L]
削減率 : 20.2%

2500

室外機出力10kW級
(実験機)

12000

これまでの実験装置

室外機出力10～15kW級(家庭用・産業用)
Indoor Unit
Heat Pump

Borehole system

A heavy oil boiler

8

Ground source heat pump
10000

削減量 : 253 [kg-CO2]
削減率 : 20.2%

8000

削減量 : 1586 [L]
削減率 : 43.6%

削減量 : 6359 [kg-CO2]
削減率 : 66.0%

2000

3276
1500
1000

6000

2615

9635

P

4000

削減量 : 661 [kWh]削減率 : 20.2%

5001252 999

842 672
Crude oilconsumption [L]

消費電力量
[kWh]
空気熱ヒー
トポンプ
地中熱ヒー
トポンプ

シングルボアホールシステムの地中熱交換器

3276
2049

0

Power consumption
[kWh]

3635

2000

Carbon dioxide
emissions [kg-CO2]

原油消費量
[L]

実験機(山梨大学)

0
Crude oil consumption [L]Carbon dioxide emissions [kg-CO₂]

原油消費量
[L]

二酸化炭素排出量[kg-CO₂]

二酸化炭素排出量[kg-CO₂]

3276

842

1252

A重油ボイラー

3635

9635

2615

672

999

地中熱
ヒートポンプ

2049

3276
11

地中熱交換器

シングルボアホールシステ
ムの地中熱交換器(30m×1)
シングルUチューブ型
ボアホール径100A

HP能力

10kW×1台

地盤温度計
測ボアホール温度計測点
深さ5m、30m

３並列ボアホールシステムの地中熱交換器井戸または貯水タンク(水循環冷却用)

商用システム（大村記念館、ハウス空調）
地中熱交換器

３並列ボアホールシステムの地中熱交換器(30m×3)
３本並列Uチューブ型
ボアホール径150A

HP能力10～15kW×1台×2セット

バックアップ冷
却システム
地盤温度計測水循環冷却用井戸または水道水
ボアホール温度計測点

深さ5m毎
12